Страница 326 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

1. Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются вдоль траектории движения быстрой заряженной частицы. Пролетая через рабочее вещество камеры (смесь газа с парами воды или спирта), заряженная частица ионизирует атомы на своем пути.

Эти ионы становятся центрами конденсации, на которых при резком адиабатном расширении и охлаждении в камере образуются мельчайшие капельки жидкости. Цепочка таких капелек формирует видимый след (трек), который позволяет наблюдать траекторию частицы.

Незаряженные частицы, такие как нейтроны или фотоны (гамма-кванты), не имеют электрического заряда и поэтому не могут непосредственно ионизировать атомы среды путем электромагнитного взаимодействия. Следовательно, они не оставляют за собой цепочку ионов и не создают видимого трека в камере Вильсона. Таким образом, напрямую зарегистрировать незаряженную частицу в камере Вильсона нельзя.

Тем не менее, регистрация незаряженных частиц возможна косвенным методом. Незаряженная частица может провзаимодействовать с ядром или электроном атома в рабочем объеме камеры, породив одну или несколько вторичных заряженных частиц. Именно треки этих вторичных частиц и можно наблюдать. Например, нейтрон может столкнуться с протоном (ядром атома водорода), передав ему часть своей энергии; этот протон, будучи заряженной частицей, оставит в камере хорошо видимый трек. Гамма-квант может выбить электрон из атома (фотоэффект) или рассеяться на нем (комптоновское рассеяние), и этот быстрый электрон также создаст трек. По характеру и расположению треков вторичных частиц можно судить о взаимодействии, которое их вызвало, и, следовательно, о пролетевшей незаряженной частице.

Ответ: Нет, напрямую зарегистрировать незаряженные частицы с помощью камеры Вильсона нельзя, поскольку их движение не сопровождается ионизацией среды. Однако их можно обнаружить косвенно — по трекам вторичных заряженных частиц, которые возникают в результате взаимодействия незаряженных частиц с веществом в камере.

2. Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона?

Пузырьковая камера и камера Вильсона являются трековыми детекторами, предназначенными для визуализации траекторий (треков) заряженных частиц. Оба устройства работают на принципе создания метастабильного состояния вещества, которое переходит в устойчивое состояние вдоль траектории частицы, делая ее видимой. В камере Вильсона это пересыщенный пар, в котором на ионах, оставленных частицей, конденсируются капельки жидкости. В пузырьковой камере это перегретая жидкость, которая вскипает на ионах, образуя пузырьки пара.

Несмотря на схожий принцип действия, пузырьковая камера, изобретенная Дональдом Глазером в 1952 году, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с камерой Вильсона.

Основные преимущества пузырьковой камеры обусловлены свойствами ее рабочего вещества — перегретой жидкости, — которое значительно плотнее рабочего вещества камеры Вильсона (пересыщенного пара).

• Большая плотность рабочего вещества. В качестве рабочего вещества в пузырьковых камерах используются сжиженные газы (например, жидкий водород, дейтерий, пропан), плотность которых в сотни и тысячи раз превышает плотность пересыщенного пара в камере Вильсона. Это приводит к следующим последствиям:
  • Вероятность взаимодействия пролетающей частицы с ядрами рабочего вещества значительно выше. Это позволяет регистрировать редкие процессы и изучать взаимодействие частиц, которые в камере Вильсона пролетели бы без взаимодействия.
  • Частицы быстрее теряют энергию и чаще останавливаются внутри камеры. Это дает возможность более точно определять их энергию по длине пробега.
  • Повышается эффективность регистрации нейтральных частиц (например, нейтронов или гамма-квантов) по продуктам их взаимодействия с веществом.
• Более высокое быстродействие. Время, необходимое для приведения камеры в рабочее состояние и последующего возврата в исходное (рабочий цикл), у пузырьковой камеры значительно меньше. Если для камеры Вильсона это время составляет порядка минуты (из-за необходимости очистки от ионов и медленного расширения), то пузырьковая камера может работать с частотой несколько циклов в секунду. Это позволяет синхронизировать ее работу с импульсными ускорителями частиц и регистрировать гораздо больше событий за то же время.
• Лучшее пространственное разрешение. Треки в пузырьковой камере состоят из очень маленьких пузырьков (диаметром в десятки микрометров), что делает их более тонкими и четкими по сравнению с расплывчатыми треками из капель в камере Вильсона. Это позволяет с высокой точностью измерять кривизну треков в магнитном поле и, следовательно, точнее определять импульсы частиц.
• Возможность использования водорода в качестве мишени. Использование жидкого водорода в качестве рабочего вещества является огромным преимуществом. Ядро водорода — это протон. Поэтому взаимодействия частиц происходят с простейшими мишенями — протонами, что значительно упрощает теоретическую интерпретацию результатов экспериментов по сравнению со взаимодействиями на сложных ядрах газов, используемых в камере Вильсона (например, аргон).

Ответ:

• Большая плотность рабочего вещества: увеличивает вероятность взаимодействия частиц, позволяет эффективнее регистрировать редкие события и нейтральные частицы, а также точнее измерять их энергию по длине пробега.
• Высокое быстродействие: короткий рабочий цикл позволяет синхронизировать работу с ускорителями и получать значительно большую статистику событий.
• Лучшее пространственное разрешение: более четкие треки позволяют точнее измерять импульсы частиц.
• Использование простой мишени: применение жидкого водорода (протонов) в качестве рабочего вещества упрощает теоретический анализ взаимодействий.